Optical and Surface Photovoltage Characterizations of Light Trapping Silicon Nanostructures

Abstract

We fabricated Si nanostructure arrays and investigated their optical properties. We performed photoluminescence measurements of Si nanocone arrays, fabricated by nanoimprint technique, to study the influence of Mie-resonance-mediated highly concentrated light on radiative recombination behaviors of photo-generated electron hole pairs (III.A). We studied local surface photovoltage (SPV) characteristics of Si nanopillar (NP) arrays using Kelvin probe force microscopy (KPFM), which confirms the field-effect passivation using SiNx layers (III.B). We prepared Si NP arrays coated with poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) organic semiconductor layers and carried out nanoscopic SPV characterizations of them using KPFM (III.C). The P3HT-coated Si NP arrays exhibited larger SPV than the planar counterparts, since the optical resonance strongly concentrated light in Si NPs and modified the spatial distribution of photo-generated carriers. All the experimental data were discussed based on the finite-difference time-domain simulation results. These results provide us clues to understand interaction between incident photons and charge carriers in light trapping Si nanostructures and insights into improving performance of Si nanostructure-based photovoltaic devices.;본 학위 논문에서는 Silicon (Si) nanostructure array를 제작하고 그 광학적 특성을 조사하였다. 먼저 nanoimprint 방법으로 만들어진 Si nanocone array에서 Mie resonance에 의해 매개된 강한 빛의 집속이 빛에 의해 여기된 전자-정공 쌍(EHP, electron-hole pair)의 방사 재결합(radiative recombination)에 미치는 영향을 photoluminescence (PL) 측정을 통해 조사하였다 (III.A). 또한 Kelvin probe force microscopy (KPFM)를 통해 Si nanopillar (NP) array의 국소적 surface photovoltage (SPV) 특성을 조사함으로써 SiNx layer를 이용한 field-effect passivation 효과를 확인하였다 (III.B). 마지막으로 유기 반도체인 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) layer를 Si NP array에 코팅하고 KPFM을 이용해 나노수준 공간분해능으로 SPV 특성을 조사하였다 (III.C). P3HT가 코팅된 Si NP array에서 Si NP의 optical resonance로 인해 빛이 강하게 집속 되고 이에 따라 빛에 의해 생성된 carrier들의 공간적 분포가 달라지므로 P3HT가 코팅된 planar의 경우보다 더 큰 SPV 값을 가졌다. 모든 측정 데이터는 finite-difference time-domain (FDTD) 전산모사 결과에 기초하여 분석되었다. 본 연구들은 빛이 집속되는 Si 나노구조에서 입사한 광자와 전하 수송자 사이의 상호작용을 이해할 수 있는 실마리와 Si 나노구조 기반의 태양광 소자의 성능을 증진시키는데 큰 도움을 줄 것으로 기대 된다.